一种钻井工具内部电路降温系统的制作方法

1.本发明属于电路降温技术领域，具体涉及一种钻井工具内部电路降温系统。


背景技术：

2.在油气开发领域，是通过钻杆进行探测、钻进作业，在油气开发钻具内部一般设有信息监测器件，比如井斜角传感器、磁力计、速度传感器、泥浆脉冲发生器等，这些信息监测模块为钻杆的操控提供参考，由于这些信息监测模块为电子设备，在工作过程中会发热，导致钻杆中的电路容易处于高温环境中，使得电路板、监测器件会因为温度过高而烧毁或者寿命降低，需要频繁维护，耽误油气开发进度。本发明不涉及井下工具功能性电路设计技术，本发明的创新设计为任意井下电路提供降温服务。
3.现有技术中，公开号为cn111212548a的中国专利文献记载了一种随钻仪器电路系统磁极驱动降温系统及方法，其通过逆斯特林循环原理设计，其采用压缩气缸磁极作为动力进行工质的压缩，动力弱、工作效率低，降温效果不好，并且使用的活动密封塞会发生磨损，这也是逆斯特林降温装置的普遍缺点，容易损坏元器件。


技术实现要素：

4.本发明旨在提供一种钻井工具内部电路降温系统，解决现有技术中钻具内部电路的散热效率低、维护不便的技术问题。
5.为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：提供一种钻井工具内部电路降温系统，包括承载本体，所述承载本体内部设置有贯通流道，在所述贯通流道中设有气体压缩机和涡轮转子，所述涡轮转子驱动连接到所述气体压缩机的动力输入端，当所述贯通流道中通入液体介质，能够驱动所述涡轮转子带动所述气体压缩机工作；所述气体压缩机的气体出口通过气体膨胀部件连通到所述电子器件散热区，所述电子器件散热区与所述气体压缩机的气体入口连通。
6.具体的，所述气体压缩机的气体出口连通有高压气体管路，在所述贯通流道中设有电子电路仓，所述电子电路仓中包含电子器件散热区，所述高压气体管路下端通过气体膨胀部件连通到所述电子器件散热区，所述电子器件散热区通过气体回流通道连通到所述气体压缩机的气体入口再次重新循环。需要说明的是，所述气体在高压气体管路、气体压缩机、气体膨胀部件、电子器件散热区内不断循环，用于为电子器件降温。所述流道中流过的钻井循环介质与所述气体隔离。
7.优选的，在所述贯通流道中由下至上依次设有第一安装骨架、第二安装骨架、第一安装轴和第二安装轴，其中，所述电子器件散热区位于所述第一安装骨架外周面与所述贯通流道内壁面之间或设置于所述第一安装骨架中的容置空间内；所述第二安装骨架内部布置有散热片；具体的，所述电子器件散热区位于所述第一安装骨架外周面与所述贯通流道内壁面之间；所述高压气体管路设置在所述第二安装骨架内部，并沿所述高压气体管路布置有散热片；所述
气体压缩机设置在所述第一安装轴中；在所述第二安装轴外部设有第一套筒，所述第二安装轴中空，其内部设有连接到所述气体压缩机的动力输入端的连接轴，所述涡轮转子安装在所述第一套筒外壁上，所述第一套筒内上下端与所述第二安装轴之间分别设有第一轴承和第二轴承，所述连接轴通过磁离合器实现与所述第一套筒之间的传动，所述磁离合器包括设置在所述连接轴顶部的磁离合副边，以及设置在所述第一套筒内部对应位置的磁离合原边。
8.所述第一安装轴和第二安装轴为承压壳体，一般优选为圆柱状壳体，但也不排除其他形状。需要说明的是第一安装骨架、第二安装骨架、第一安装轴和第二安装轴形成的密闭空间将循环气体与贯通流道中的钻井循环介质隔离，使气体不受到污染。
9.优选的，在所述贯通流道中位于所述涡轮转子上方设有涡轮定子，所述第二安装轴顶部插接有第三安装轴，所述涡轮定子设置在所述第三安装轴外周；所述第三安装轴顶部插接有第四安装轴，所述第三安装轴和第四安装轴中设有连通的第一中心孔，所述第一中心孔中用于穿设控制所述磁离合器的电路，并在所述第四安装轴顶部设有插电接头。
10.优选的，在所述贯通流道上部设有上下螺接的第二套筒和第三套筒，所述涡轮定子、第三安装轴、第四安装轴位于所述第二套筒和第三套筒中，且所述涡轮定子的大小与所述第三套筒内径相匹配，所述第二套筒上部为第一扩径部，在所述贯通流道内壁对应设有支撑所述第一扩径部的第一台阶。
11.优选的，所述第二安装骨架底部为匹配安装在所述贯通流道中的第二扩径部，在所述第二扩径部一侧设有偏心孔，所述贯通流道顶部、所述第二套筒和第三套筒与所述第三安装轴和第四安装轴之间的环形间隙、所述第一安装轴与所述承载本体之间的环形间隙、所述第二安装骨架上部与所述承载本体之间的环形间隙、所述偏心孔、所述第一安装骨架的内部孔以及所述贯通流道底部构成所述流道。
12.优选的，在所述第一安装轴中设有容纳套，所述气体压缩机设置在所述容纳套中，所述容纳套顶部设有轴承座，在所述轴承座中设有第三轴承，所述连接轴底部设置在所述第三轴承中。
13.优选的，所述气体压缩机的气体出口通过轴套组件连通到所述高压气体管路的入口，所述轴套组件包括对接在所述第二安装骨架顶部的底座，所述第一安装轴底部插接在所述底座上部，所述底座中设有t形孔，所述t形孔中设有第一t形轴，该第一t形轴底部插接在所述第二安装骨架顶部；在所述第一安装轴内底部设有第二台阶，所述第二台阶上设有t形轴套，所述t形轴套中设有第二t形轴，所述第一t形轴和第二t形轴中设有连通的第二中心孔，所述气体压缩机的气体出口与所述第二中心孔连通。
14.优选的，在所述贯通流道内底部设有第三台阶，所述第三台阶上设有中空座，所述第一安装骨架底部插接在所述中空座上。
15.优选的，所述气体膨胀部件为气体旋流器、气体节流阀、气体膨胀阀、气体膨胀涡轮或气体膨胀叶轮；所述气体压缩机为气体加压泵或气体加压涡轮；所述气体压缩机中循环气体为氢气、氩气、氮气、氦气或二氧化碳。
16.优选的，所述承载本体采用内部设有空腔的钻铤，所述气体回流通道设置在所述承载本体的侧壁中。
17.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.该钻井工具内部电路降温系统包括承载本体，在承载本体内部设置有贯通流道，在贯通流道中设有气体压缩机，气体压缩机的气体出口连通有高压气体管路，在贯通流道中设有电子器件散热区，高压气体管路下端通过气体膨胀部件连通到电子器件散热区，电子器件散热区通过气体回流通道连通到气体压缩机的气体入口，从而实现气体降温介质的循环，在贯通流道中还设有涡轮转子，涡轮转子驱动连接到气体压缩机的动力输入端，当贯通流道中通入液体介质，能够驱动涡轮转子带动气体压缩机工作，从而促使气体降温介质再气体压缩机的驱动下循环，实现对电子器件散热区的降温。
18.2.在贯通流道中设有多段安装轴，该钻井工具内部电路降温系统的气体压缩机、高压气体管路、电子器件散热区、气体膨胀部件设于相应的安装轴中，便于各组成部分在贯通流道中的安装和拆卸，且各部件在贯通流道中安装稳固，能够保持长期、稳定的工作状态，因此，相对于根据逆斯特林原理设计的降温系统，该钻井工具内部电路降温系统的工作状态更稳定，使用寿命更长，也便于维护。
19.3.该钻井工具内部电路降温系统通过涡轮转子持续驱动气体压缩机工作，所以能够循环、持续的对电子器件散热区降温，降温效率高，降温效果好。并且通过磁离合器能够控制涡轮转子的旋转与气体压缩机动力输入端的分离，能够灵活的控制降温工作。
附图说明
20.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：图1为本发明钻井工具内部电路降温系统一实施例的内部结构示意图之一。
21.图2为本发明钻井工具内部电路降温系统一实施例的内部结构示意图之二。
22.图3为图1的a部放大图。
23.图4为图3的a-a剖面图。
24.图5为图2的b部放大图。
25.图6为图1的c部放大图。
26.图7为图2的d部放大图。
27.图8为图7的e部放大图。
28.图中，各标号示意为：承载本体10、贯通流道101、第三台阶102、中空座103、气体回流通道104、第一台阶105、第一安装骨架1、电子器件散热区11、第一密封圈12、第二安装骨架2、高压气体管路21、散热片22、支撑套23、续接孔231、气体膨胀部件24、第二扩径部25、第二密封圈251、偏心孔252、第一安装轴3、气体压缩机31、底座32、第一t形轴33、第二t形轴34、第二台阶35、t形轴套36、第二中心孔37、容纳套38、轴承座39、第三轴承391、第二安装轴4、涡轮转子41、第一套筒42、第一轴承43、第二轴承44、连接轴45、磁离合副边451、磁离合原边452、涡轮定子46、第三安装轴5、第一中心孔51、第二套筒52、第三套筒53、第四安装轴6、插电接头61。
具体实施方式
29.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于
本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
30.一种钻井工具内部电路降温系统，请参阅图1至图8。
31.如图1所示，该钻井工具内部电路降温系统包括承载本体10，该承载本体10采用内部设有空腔的钻铤，这里的钻铤为整个钻杆的一部分，承载本体10内部形成贯通流道101，在贯通流道11中由下至上依次设有第一安装骨架1、第二安装骨架2、第一安装轴3和第二安装轴4，其中，如图3所示，第一安装骨架1的外周面与贯通流道101的内壁面之间设有电子器件散热区11，在贯通流道101中设有电子电路仓，电子器件散热区11位于该电子电路仓中，将承载本体10中的电路板、测量器件等设置在电子电路仓，可对电路板、测量器件进行散热。
32.如图3所示，在贯通流道101内底部设有第三台阶102，第三台阶102上设有中空座103，中空座103上设有凸台，第一安装骨架1底部对应设有扩径孔，使得第一安装骨架1底部插接在中空座103上，第一安装骨架1底部外周设有第一密封圈12，使得电子器件散热区11具有密封性，防止承载本体10内通入的液体介质进入电子器件散热区11。
33.如图5所示，在第二安装骨架2内部设有高压气体管路21和散热片22，高压气体管路21中部为u形弯曲部，散热片22沿高压气体管路21的u形弯曲部布置，散热片22促进高压气体管路21中气体的散热。
34.在第二安装骨架2底部设有支撑套23，支撑套23中设有续接孔231，支撑套23通过螺钉232连接在第二安装骨架2底部，在续接孔231底部设有气体膨胀部件24，高压气体管路21下端与续接孔231上端连通，从而高压气体管路21下端能够通过气体膨胀部件24连通到电子器件散热区11，这里的气体膨胀部件24为气体旋流器、气体节流阀、气体膨胀阀、气体膨胀涡轮或气体膨胀叶轮，高压气体管路21中的高压气体经过气体膨胀部件24突然膨胀后温度降低，起到对电子器件散热区11降温的作用，电子器件散热区11采用导热板等导热物质与电子元器件连通。
35.如图6所示，在第一安装轴3中设有气体压缩机31，该气体压缩机31为气体加压泵或气体加压涡轮，在本实施例中，该气体压缩机31采用活塞式斜盘泵。气体压缩机31中循环气体为氢气、氩气、氮气、氦气或二氧化碳，该气体压缩机31的底部的气体出口通过轴套组件连通到高压气体管路21顶部的入口，其中，这里的轴套组件包括对接在第二安装骨架2顶部的底座32，底座32中设有t形孔，第一安装轴3的底部插接在底座32内上部，t形孔中设有第一t形轴33，该第一t形轴33底部插接在第二安装骨架2顶部，使得第二安装骨架2和第一安装轴3相接，在第一安装轴3内底部设有第二台阶35，第二台阶上设有t形轴套36，t形轴套36中设有第二t形轴34，第一t形轴33和第二t形轴34中设有连通的第二中心孔37，气体压缩机31的气体出口与第二中心孔37连通。
36.另外，结合图4所示，在承载本体10的侧壁中设有气体回流通道104，如图5所示，气体回流通道104的下端连通到电子器件散热区11，如图6所示，气体回流通道104的上端连通到气体压缩机11的气体入口，如此，气体压缩机31中的压缩气体能够沿高压气体管路21、电子器件散热区11、气体回流通道104循环。
37.如图7所示，第二安装轴4外部设有涡轮转子41，具体的，在第二安装轴4外部设有第一套筒42，涡轮转子41套装在第一套筒42外壁上，第一套筒42内上下端与第二安装轴4外
壁之间分别设有第一轴承43和第二轴承44，第一轴承43和第二轴承44均为滑动轴承；第二安装轴中空，其内部设有连接到气体压缩机31的动力输入端的连接轴45。
38.如图6所示， 在第一安装轴3中设有容纳套38，气体压缩机31设置在容纳套38中，容纳套38顶部设有轴承座39，在轴承座39中设有第三轴承391，连接轴45底部设置在第三轴承391中。
39.进一步的，连接轴45通过磁离合器连接到第一套筒42，磁离合器包括设置在连接轴45顶部的磁离合副边451，以及设置在第一套筒42内部对应位置的磁离合原边452，磁离合副边451固定在连接轴45顶部，磁离合原边452固定在第一套筒42内部，涡轮转子41能够带动第一套筒42旋转，操控磁离合器闭合，则能够带动连接轴45旋转，连接轴45转动，则可驱动气体压缩机31工作。
40.进一步的，如图7所示，在贯通流道101中位于涡轮转子41上方还设有涡轮定子46，涡轮定子46用于对贯通流道101中的液体介质进行引导，使得液体介质按照一定的角度和方向冲刷涡轮转子41，促进涡轮转子41的旋转。
41.如图7所示，在第二安装轴4顶部插接有第三安装轴5，涡轮定子46套装在第三安装轴5外周，第三安装轴5的顶部插接有第四安装轴6，第三安装轴5和第四安装轴6中设有连通的第一中心孔51，第一中心孔51中用于穿设控制磁离合器的电路，并在第四安装轴6顶部设有插电接头61，从而能够控制磁离合器动作。
42.如图7所示，在贯通流道101上部设有上下螺接的第二套筒52和第三套筒53，涡轮定子46、第三安装轴5、第四安装轴6位于第二套筒52和第三套筒53中，且涡轮定子46的大小与第三套筒53内径相匹配，这样，从第三套筒53内流通的液体介质能够被挤压冲刷涡轮定子46，促进涡轮定子46的旋转。结合图8所示，第二套筒53上部为第一扩径部531，在贯通流道101内壁对应设有支撑第一扩径部531的第一台阶105，从而第二套筒52和第三套筒53能够在贯通流道101内定位。
43.进一步的，如图5所示，第二安装骨架2的底部为匹配安装在贯通流道101中的第二扩径部25，第二扩径部25与贯通流道10之间设有第二密封圈251，在第二扩径部25中设有偏心孔252，贯通流道101顶部、第二套筒52和第三套筒53与第三安装轴5和第四安装轴6之间的环形间隙、第一安装轴3与承载本体10之间的环形间隙、第二安装骨架2上部与承载本体10之间的环形间隙、偏心孔251、第一安装骨架1的内部孔以及贯通流道101底部构成流道，图2、图4、图5和图6中箭头方向表示流道流通走向。
44.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
45.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解，在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。